JP7154048B2 - 宇宙機構体 - Google Patents
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Description
また、少なくともいずれかのヒートパイプの直近にヒータが設置される。ヒータで発生した熱は、ヒートパイプを介して、温度制御パネルに伝わる。これによって、搭載機器の温度が制御される。一般的に、ヒータで発生する熱量は、ON/OFF制御によって制御される。局所的にみた場合、ON時にはヒータには最大発熱量が印加される。そのため、ONとOFF(ヒータの印加電圧が0ボルト)との切替え時に、ヒータの熱量変化が大きくなる。そして、ヒートパイプを介して熱的に結合される搭載機器の温度変化量も大きくなる。
輻射による伝熱経路には、対向する2つの輻射面が設けられている。これら2つの輻射面間の熱抵抗が大きくなることにより、熱が伝わりにくくなる。
この構造が適用された場合、ヒータによる熱量が搭載機器まで伝わりにくくなるため、搭載機器の温度変動量を大幅に緩和することが可能である。
そこで、放熱面積を拡大する方法が考えられる。放熱面積を拡大して放熱面の温度レベルを低下させることにより、搭載機器の温度が許容範囲を逸脱しないようにする。
また、温度差を抑えるために熱輻射接続部の輻射面積を拡大する方法が考えられる。この方法では、熱輻射接続部の熱抵抗を低下させる。つまり、熱輻射接続部の温度差を低下させることで搭載機器の温度が許容範囲を逸脱しないようにする。
しかしながら、放熱面積又は熱輻射接続部の輻射面積を拡大すると、宇宙機の質量が増加する。宇宙機を打ち上げるための費用が1キログラム当たり数百万円であることを考えると、宇宙機の質量の増加はコスト競争力の低下につながる。
しかし、この方法は、搭載機器の総数の減少を招く。例えば、熱輻射接続部が設けられた場合、搭載機器から放熱することが可能な発熱密度は24W/m2になる。この発熱密度は、従来の放熱可能な発熱量(323W/m2)の0.07倍に相当する。つまり、搭載機器の総発熱量が小さくなる。したがって、多くの機器を搭載することができなくなる。
前記宇宙機構体は、
前記ヒータとヒートパイプとが配置され構体外部に配置される温度制御パネルと、
前記機器とヒートパイプとが配置され構体内部に配置される機器搭載パネルと、
ヒートパイプが配置され前記温度制御パネルと前記機器搭載パネルとの間に配置されるウェブパネルとを備え、
前記ウェブパネルの前記ヒートパイプが、両端部分で折れ曲がった形状を有し、
前記両端部分の一方の端部が、前記ウェブパネルから突き出た状態で、前記温度制御パネルの前記ヒートパイプに接していて、
前記両端部分の他方の端部は、前記ウェブパネルから突き出た状態で、前記機器搭載パネルの前記ヒートパイプに接している。
宇宙機における温度制御のための構体の構造について、図1から図6に基づいて説明する。
図1および図2に基づいて、宇宙機構体100の構成を説明する。
図1は、宇宙機構体100を斜め上から見た様子を示している。
図2は、宇宙機構体100を上から見た様子を示している。
例えば、宇宙機構体100は、人工衛星(静止衛星または周回衛星)または探査機などの宇宙機に用いられる。
宇宙機構体100に搭載される機器101を搭載機器という。
温度制御パネル110には、ヒータ102とOSR103とヒートパイプ111とが配置される。OSRは熱制御材の通称である。OSRの正式名称は、Optical Solar Reflectorの略称である。
ヒートパイプ111は、温度制御パネル110に埋め込まれる。
ヒータ102は、温度制御パネル110の内面においてヒートパイプ111に取り付けられる。
OSR103は、温度制御パネル110の外面に取り付けられる。OSR103が取り付けられた面は、放熱面として機能する。
機器搭載パネル120には、機器101とヒートパイプ121とが配置される。
ヒートパイプ121は、機器搭載パネル120に埋め込まれる。
機器101は、機器搭載パネル120の外面においてヒートパイプ121に取り付けられる。
ウェブパネル130には、ヒートパイプ131が配置される。
ヒートパイプ131は、ウェブパネル130に埋め込まれる。
機器搭載パネル120は、内部パネルともいう。内部パネルは、ヒートパイプ121が配置され宇宙機構体100の内側に配置される。
ウェブパネル130は、中間パネルともいう。中間パネルは、ヒートパイプ131が配置され外部パネルと内部パネルとの間に配置される。
内側の直方体は、少なくとも1枚の機器搭載パネル120を備える。
外側の直方体は、少なくとも1枚の温度制御パネル110を備える。
内側の直方体と外側の直方体との間には、少なくとも1枚のウェブパネル130が配置される。具体的には、ウェブパネル130は、内側の直方体の角と外側の直方体の角との間に斜めに配置される。
図3は、パネルとヒートパイプとの断面を示している。
パネルとヒートパイプとの組は、温度制御パネル110とヒートパイプ111との組、機器搭載パネル120とヒートパイプ121との組、または、ウェブパネル130とヒートパイプ131との組を表している。
パネルは、ハニカムコアを有する。ハニカムコアは、ハニカム構造を有する。そのため、パネルはハニカムパネルともいう。
ヒートパイプは、表面が露出するようにパネルのハニカム構造に埋め込まれる。
図4は、ヒートパイプ131が配置された箇所を上から見た様子を示している。
図5は、ヒートパイプ131がヒートパイプ111に接している様子を示している。
図5において、ヒートパイプ(111、131)の破線部分は、パネル(110、130)に埋め込まれている部分を表している。ヒートパイプ131の実線部分は、ウェブパネル130から突き出ている部分を表している。網掛け部分は、ヒートパイプ131がヒートパイプ111に接している部分を表している。
両端部分の一方の端部132は、ウェブパネル130から突き出た状態で、温度制御パネル110のヒートパイプ111に接している。ヒートパイプ131の端部132は、ヒートパイプ111に接着剤で接着される。これにより、ヒートパイプ131がヒートパイプ111と連結する。
同様に、両端部分の他方の端部133は、ウェブパネル130から突き出た状態で、機器搭載パネル120のヒートパイプ121に接している。ヒートパイプ131の端部133は、ヒートパイプ121に接着剤で接着される。これにより、ヒートパイプ131がヒートパイプ121と連結する。
図1および図2に基づいて、ヒートパイプ131の機能を説明する。
ヒータ102の発熱は、ヒートパイプ111へ伝わり、ヒートパイプ111からヒートパイプ131へ伝わり、ヒートパイプ131からヒートパイプ121へ伝わり、ヒートパイプ121から機器101へ伝わる。
そのため、ヒータ102における発熱の変動は、ヒートパイプ111へ伝わり、ヒートパイプ111からヒートパイプ131へ伝わり、ヒートパイプ131からヒートパイプ121へ伝わり、ヒートパイプ121から機器101へ伝わる。
ウェブパネル130のヒートパイプ131と他のパネルのヒートパイプとの接触面積を抑制することで、接触熱抵抗が増大する。つまり、ヒータ102の熱が機器101に伝わりにくくなる。そのため、機器101の温度変動を抑制することができる。したがって、機器101の温度を安定化させることができる。
宇宙機構体100は、直方体とは異なる立体の二重構造を有してもよいし、直方体と立体(直方体を除く)との二重構造を有してもよい。
ヒートパイプ121は、表面が露出しないように機器搭載パネル120に埋め込まれてもよい。
ヒートパイプ131は、表面が露出しないようにウェブパネル130に埋め込まれてもよい。
ヒートパイプ121は、機器搭載パネル120の表面に取り付けられてもよい。
ヒートパイプ131は、ウェブパネル130の表面に取り付けられてもよい。
ヒータ102は、温度制御パネル110の外面に取り付けられてもよい。
ヒータ102は、温度制御パネル110においてヒートパイプ111と重ならない箇所に取り付けられてもよい。
例えば、図6に示すように、ヒートパイプ131の端部は器具139を用いてヒートパイプ111に連結される。器具139の断面は凹状を成し、器具139の凹状の部分にヒートパイプ131の端部が収められる。そして、器具139は、温度制御パネル110の表面に接着される。これにより、ヒートパイプ131の端部がヒートパイプ111に接した状態で、ヒートパイプ131の端部がヒートパイプ111に連結される。同様に、ヒートパイプ131の他方の端部がヒートパイプ121に連結される。
ヒートパイプ同士の接触面について、主に実施の形態1と異なる点を図7から図10に基づいて説明する。
図7に基づいて、ヒートパイプ131の接触面134とヒートパイプ111の接触面112とについて説明する。
図7は、ヒートパイプ131の端部132がヒートパイプ111と連結される様子を示している。
接触面134は、ヒートパイプ131の端部132のうち温度制御パネル110のヒートパイプ111に接する部分である。接触面134は凹凸を有する。
接触面112は、温度制御パネル110のヒートパイプ111のうちウェブパネル130のヒートパイプ131と接する部分である。接触面112は凹凸を有する。
図8は、ヒートパイプ131の端部133がヒートパイプ121と連結される様子を示している。
接触面135は、ヒートパイプ131の端部133のうち機器搭載パネル120のヒートパイプ121に接する部分である。接触面135は凹凸を有する。
接触面122は、機器搭載パネル120のヒートパイプ121のうちウェブパネル130のヒートパイプ131と接する部分である。接触面122は凹凸を有する。
図9に基づいて、ヒートパイプ131とヒートパイプ111との間の熱の伝達について説明する。
図9は、ヒートパイプ131の端部132がヒートパイプ111と連結された状態におけるヒートパイプ131の端部132とヒートパイプ111との断面を示している。つまり、図9において、左図の中の斜線の網掛け部分を右図に示している。右図の矢印は、熱の伝達を表している。
ヒータ102の熱は、ヒートパイプ111の接触面112における凸部とヒートパイプ131の接触面134における凸部とを介して、ヒートパイプ111からヒートパイプ131へ伝わる。
図10は、ヒートパイプ131の端部133がヒートパイプ121と連結された状態におけるヒートパイプ131の端部133とヒートパイプ121との断面を示している。つまり、図10において、左図の中の斜線の網掛け部分を右図に示している。右図の矢印は、熱の伝達を表している。
ヒータ102の熱は、ヒートパイプ131の接触面135における凸部とヒートパイプ121の接触面122における凸部とを介して、ヒートパイプ131からヒートパイプ111へ伝わる。
ヒートパイプ131の接触面134における凹凸とヒートパイプ111の接触面112における凹凸とにより、それぞれの接触面が平面である場合に比べて、ヒートパイプ131とヒートパイプ111との接触面積が小さくなる。そのため、ヒータ102の熱はヒートパイプ111からヒートパイプ131へ伝わりにくい。これは、ヒートパイプ131とヒートパイプ111との接触面積が抑制されることで、ヒートパイプ131の接触面134とヒートパイプ111の接触面112との間で熱抵抗が大きくなるからである。
ヒートパイプ131の接触面135における凹凸とヒートパイプ121の接触面122における凹凸とにより、それぞれの接触面が平面である場合に比べて、ヒートパイプ131とヒートパイプ121との接触面積が小さくなる。そのため、ヒータ102の熱はヒートパイプ131からヒートパイプ121へ伝わりにくい。これは、ヒートパイプ131とヒートパイプ121との接触面積が抑制されることで、ヒートパイプ131の接触面135とヒートパイプ121の接触面122との間で熱抵抗が大きくなるからである。
つまり、ヒータ102の熱は、ヒートパイプ111からヒートパイプ121へ伝わりにくくなる。そのため、機器101の温度変動をより抑えることが可能となる。
ヒートパイプ131の接触面134とヒートパイプ111の接触面112とにおいて、一方の接触面が凹凸を有し、他方の接触面が凹凸を有さずに平面であってもよい。例えば、接触面134が凹凸を有し、接触面112が平面であってもよい。
ヒートパイプ131の接触面135とヒートパイプ121の接触面122とにおいて、一方の接触面が凹凸を有し、他方の接触面が凹凸を有さずに平面であってもよい。例えば、接触面135が凹凸を有し、接触面122が平面であってもよい。
ヒートパイプ131の端部について、主に実施の形態1および実施の形態2と異なる点を図11および図12に基づいて説明する。
図11および図12に基づいて、ウェブパネル130のヒートパイプ131における端部132の長さについて説明する。
図11は、ウェブパネル130のヒートパイプ131と温度制御パネル110のヒートパイプ111との規定の接触面積が小さい場合の端部132を示している。
図12は、ウェブパネル130のヒートパイプ131と温度制御パネル110のヒートパイプ111との規定の接触面積が大きい場合の端部132を示している。
ウェブパネル130のヒートパイプ131において端部132は、ウェブパネル130のヒートパイプ131と温度制御パネル110のヒートパイプ111との規定の接触面積に対応する長さを有する。
既定の接触面積が小さい場合(図11参照)、端部132の長さが短いヒートパイプ131が用いられる。
既定の接触面積が大きい場合(図12参照)、端部132の長さが長いヒートパイプ131が用いられる。
ウェブパネル130のヒートパイプ131において端部133は、ウェブパネル130のヒートパイプ131と機器搭載パネル120のヒートパイプ121との規定の接触面積に対応する長さを有する。
既定の接触面積が小さい場合、端部133の長さが短いヒートパイプ131が用いられる。
既定の接触面積が大きい場合、端部133の長さが長いヒートパイプ131が用いられる。
端部132の長さが短いヒートパイプ131が用いられた場合、接触面134の面積が小さくなる。そのため、ヒータ102の熱はヒートパイプ111からヒートパイプ131へ伝わりにくくなる。
端部132の長さが長いヒートパイプ131が用いられた場合、接触面134の面積が大きくなる。そのため、ヒータ102の熱はヒートパイプ111からヒートパイプ131へ伝わりやすくなる。
端部133の長さが長いヒートパイプ131が用いられた場合、接触面135の面積が大きくなる。そのため、ヒータ102の熱はヒートパイプ131からヒートパイプ121へ伝わりやすくなる。
ヒートパイプ131の端部の長さは変更することが可能である。ヒートパイプ131の端部の長さを変更することにより、ヒートパイプ131と他のヒートパイプ(111、121)との接触面積を調整することが可能となる。接触面積を調整することにより、ヒートパイプ131と他のヒートパイプ(111、121)との間の熱抵抗を調整することが可能となる。
このように、熱抵抗を容易に調整することが可能である。そのため、様々なヒータ出力に適した温度変動緩和量を調整できる。
従来のように熱輻射接続部が設けられた場合、熱抵抗を大きくするには輻射面積を拡大する必要があった。その結果、宇宙機構体の質量が増加する。一方、実施の形態3では、ヒートパイプ131の端部の長さを変えるだけで熱抵抗を変更できる。そのため、宇宙機構体の質量が抑えられる。
宇宙機構体100は、温度制御パネル110と機器搭載パネル120とウェブパネル130との組を複数備えてもよい。
図13に基づいて、宇宙機構体100が、温度制御パネル110と機器搭載パネル120とウェブパネル130との組を2つ備える構成を説明する。
宇宙機構体100は、外部の直方体の対向する2面に2枚の温度制御パネル110を備える。さらに、宇宙機構体100は、内部の直方体のうち2枚の温度制御パネル110と対向する2面に2枚の機器搭載パネル120を備える。さらに、宇宙機構体100は、温度制御パネル110と機器搭載パネル120との組毎に温度制御パネル110と機器搭載パネル120との間にウェブパネル130を有する。
外部構体104は、宇宙機構体100が備える二重の直方体のうちの外側の直方体である。
内部構体105は、宇宙機構体100が備える二重の直方体のうちの内側の直方体である。
図14および図15において、棒状の網掛けは棒状のヒートパイプを表している。図15において、U字状の網掛けはU字状のヒートパイプを表している。
図14において、それぞれの温度制御パネル110は、複数の棒状のヒートパイプに連結された棒状のヒートパイプを備える。これにより、複数のリング状のヒートパイプの間で熱が伝わる。
図15において、それぞれの温度制御パネル110は、並列に隣り合う2つの棒状のヒートパイプ毎に2つ棒状のヒートパイプに連結されたU字状のヒートパイプを備える。これにより、複数のリング状のヒートパイプの間で熱が伝わる。
図16において、人工衛星200は、宇宙機構体100と太陽電池パドル201とを備える。太陽電池パドル201は、宇宙機構体100の温度制御パネル110に設けられる。
図17において、人工衛星200が静止衛星である場合、人工衛星200は静止軌道を周回する。この場合、太陽電池パドル201は、宇宙機構体100の北面と宇宙機構体100の南面とに設けられる。つまり、宇宙機構体100の2枚の温度制御パネル110は宇宙機構体100の北面と宇宙機構体100の南面とを構成する。
Claims (5)
- 機器とヒータとが搭載される宇宙機構体であって、
前記宇宙機構体は、
前記ヒータとヒートパイプとが配置され構体外部に配置される温度制御パネルと、
前記機器とヒートパイプとが配置され構体内部に配置される機器搭載パネルと、
ヒートパイプが配置され前記温度制御パネルと前記機器搭載パネルとの間に配置されるウェブパネルとを備え、
前記ウェブパネルの前記ヒートパイプが、両端部分で折れ曲がった形状を有し、
前記両端部分の一方の端部が、前記ウェブパネルから突き出た状態で、前記温度制御パネルの前記ヒートパイプに接していて、
前記両端部分の他方の端部は、前記ウェブパネルから突き出た状態で、前記機器搭載パネルの前記ヒートパイプに接していて、
前記ヒータは、前記温度制御パネルの前記ヒートパイプのうち前記ウェブパネルの前記ヒートパイプの前記一方の端部と接する部分とは異なる位置に配置され、
前記機器は、前記機器搭載パネルの前記ヒートパイプのうち前記ウェブパネルの前記ヒートパイプの前記他方の端部と接する部分とは異なる位置に配置される
ことを特徴とする宇宙機構体。 - 前記ウェブパネルの前記ヒートパイプが、前記両端部分の前記一方の端部のうち前記温度制御パネルの前記ヒートパイプに接する部分に凹凸を有し、前記両端部分の前記他方の端部のうち前記機器搭載パネルの前記ヒートパイプに接する部分に凹凸を有する
請求項1に記載の宇宙機構体。 - 前記温度制御パネルの前記ヒートパイプが、前記ウェブパネルの前記ヒートパイプと接する部分に凹凸を有し、
前記機器搭載パネルの前記ヒートパイプが、前記ウェブパネルの前記ヒートパイプと接する部分に凹凸を有する
請求項1または請求項2に記載の宇宙機構体。 - 前記ウェブパネルの前記ヒートパイプにおいて前記両端部分の前記一方の端部が、前記ウェブパネルの前記ヒートパイプと前記温度制御パネルの前記ヒートパイプとの規定の接触面積に対応する長さを有し、
前記ウェブパネルの前記ヒートパイプにおいて前記両端部分の前記他方の端部が、前記ウェブパネルの前記ヒートパイプと前記機器搭載パネルの前記ヒートパイプとの規定の接触面積に対応する長さを有する
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の宇宙機構体。 - ヒートパイプが配置され外側に配置される外部パネルと、
ヒートパイプが配置され内側に配置される内部パネルと、
ヒートパイプが配置され前記外部パネルと前記内部パネルとの間に配置される中間パネルとを備える宇宙機構体であって、
前記中間パネルの前記ヒートパイプが、両端部分で折れ曲がった形状を有し、
前記両端部分の一方の端部が、前記中間パネルから突き出た状態で、前記外部パネルの前記ヒートパイプに接していて、
前記両端部分の他方の端部は、前記中間パネルから突き出た状態で、前記内部パネルの前記ヒートパイプに接していて、
ヒータが、前記外部パネルのうち前記中間パネルの前記ヒートパイプの前記一方の端部と接する箇所とは異なる箇所に配置され、
機器が、前記内部パネルのうち前記中間パネルの前記ヒートパイプの前記他方の端部と接する箇所とは異なる箇所に配置される
ことを特徴とする宇宙機構体。
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